Syntese og Funktionalisering af 3D Nano-graphene Materialer: Graphene Aerogeler og Graphene Macro forsamlinger
Summary
This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.
Abstract
Bestræbelserne på at samle graphene i tre-dimensionelle monolitiske strukturer er blevet hæmmet af de høje omkostninger og dårlig bearbejdelighed af graphene. Derudover er de fleste rapporterede graphene forsamlinger holdes sammen gennem fysiske interaktioner (f.eks van der Waals kræfter) snarere end kemiske bindinger, hvilket begrænser deres mekaniske styrke og ledningsevne. Videoen metode detaljer nylig udviklet strategier til at fabrikere masse-produceres, graphene-baserede bulk materialer, der stammer fra enten polymer skum eller enkelt lag graphene oxid. Disse materialer består primært af individuelle graphene plader forbundet gennem kovalent bundet kulstof indeksobligationer. De fastholder de gunstige egenskaber af graphene såsom høj overfladeareal og høj elektrisk og termisk ledningsevne, kombineret med justerbar pore morfologi og exceptionel mekanisk styrke og elasticitet. Denne fleksible syntetiske fremgangsmåde kan udvides til fremstilling af polymer / carbon nanorør (CNT) end polymer / graphene oxid (GO) kompositmaterialer. Desuden er yderligere post-syntetisk funktionalisering med anthraquinon beskrevet, som muliggør en dramatisk stigning i ladningslagringsanordningen resultater i supercapacitor ansøgninger.
Introduction
Da isoleringen af graphene i 2004, har 1 interesse i at udnytte sine unikke egenskaber førte til en intens indsats rettet mod at samle graphene i tre-dimensionelle, monolitiske strukturer, der bevarer egenskaberne af de enkelte graphene ark. 2-5 Disse bestræbelser er blevet vanskeliggjort af den at graphene selv er dyrt og tidskrævende at fremstille og har tendens til at aggregere i opløsning, hvilket begrænser skalerbarhed af materialer baseret på graphene byggesten. Derudover er graphene samlinger omfatter typisk fysisk tværbindende vekselvirkninger (f.eks, van der Walls kræfter) mellem de enkelte graphene ark, som er langt mindre ledende og mekanisk robust end kemisk binding tværbinder. Lawrence Livermore National Laboratory har været involveret i udviklingen af nye porøse, low-density carbon materialer siden 1980'erne. 6 Adskillige strategier er blevet identificeret til at fabrikere masse-produCIBLE graphene-baserede monolitiske bulk materialer fra både billige polymer-afledt kulstof skum, som kaldes graphene aerogeler (gas), 7 samt ved direkte krydsbinding af graphene oxid (GO) ark, som kaldes graphene makro- forsamlinger (GMAs). 8,9 Disse ultrahøje overfladeareal bulk-materialer har høje elektriske og termiske ledningsevne, exceptionel mekanisk styrke og elasticitet og tunable pore morfologier. Gas og GMAs har fundet anvendelse i en lang række applikationer, herunder elektrode materialer i supercapacitors og genopladelige batterier, avanceret katalysator understøtter, adsorbenter, varmeisolering, sensorer og afsaltning. 10
Syntesen af graphene aerogeler begynder med sol-gel polymerisation af en vandig opløsning af resorcinol og formaldehyd til at generere meget tværbundne organiske geler. Disse geler vaskes med vand og acetone, derefter tørret under anvendelse af superkritisk CO2 og pyrolyseres i en inert atmosfære til opnåelse af carbon aerogeler med relativt lavt overfladeareal og porevolumen. Carbon aerogeler aktiveres ved kontrolleret fjernelse af carbonatomer under milde oxiderende tilstand (f.eks, CO 2) til dannelse af et tværbundet materiale bestående af både amorf carbon og grafit nanoplatelets, med større overfladeareal og åben pore morfologi. 7 En unik fordel ved sol-gel-syntese er, at gassen kan være fremstillet i en række forskellige former, herunder monolitter og tynde film, afhængigt af behovene i programmet. Kulstofnanorør 11 og / eller graphene ark 12 kan integreres i gas ved at medtage disse tilsætningsstoffer i sol-gel forstadium løsning. Dette genererer kompositstrukturer, hvor tilsætningsstoffet bliver en del af den primære carbon netstruktur. Derudover kan GA ramme funktionaliseres efter carbonisering / aktivering enten ved modifikation af aerogel overflade eller gennem udfældning af materialer,for eksempel katalysator nanopartikler, på rammekonstruktion. 13
Graphene makro-forsamlinger (GMAs) fremstilles ved direkte krydsbinding suspenderet graphene oxid (GO) ark, drage fordel af deres iboende kemiske funktionalitet. 9 GO ark indeholder en bred vifte af funktionelle grupper, herunder epoxid og hydroxid dele, der kan tjene som kemiske tværbindingspositioner. Som i GA forberedelse, samlet GMAs er superkritisk tørres for at bevare den porøse netværk, så pyroliserede at reducere de kemiske tværbindinger i ledende kulstof broer, der giver strukturstøtte til samlingen. På grund af de kovalente kulstof broer mellem graphene ark, GMAs har elektriske ledningsevner og mekanisk stivhed, der er størrelsesordener højere end graphene forsamlinger dannet med fysisk krydsbinding. Derudover GMAs har overfladearealer nærmer den teoretiske værdi af et enkelt graphene ark. Post-syntetiske termisk tEHANDLING ved forhøjede temperaturer (> 1.050 ° C), kan forbedre krystalliniteten af GMAs, hvilket fører til endnu højere ledningsevner og Youngs moduli samt bedre termisk modstand mod oxidering. 14 Post-syntetisk kemisk behandling af GMAs med redox-aktive organiske molekyler, såsom anthraquinon kan øge afgift lagerkapacitet i supercapacitor applikationer. 15
De tunable materialeegenskaber af gas og GMAs er til dels et resultat af nøje varierende syntetiske forhold såsom reagenser og katalysatorkoncentrationer, hærdetid og temperatur, tørrebetingelser og forkulning / aktivering processer. 16 Dette detaljeret video protokol har til formål at løse tvetydigheder i de offentliggjorte metoder, og til at vejlede forskerne forsøger at gengive de materialer og betingelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det er vigtigt at bemærke, at de procedurer, der er beskrevet her, er udelukkende repræsentative. Mange justeringer er muligt at tune materialer til et bestemt program. For eksempel varierer udgangsmaterialet koncentrationer, samtidig med at resorcinol / formaldehyd (RF) forholdet konstant, kan have en indvirkning på det færdige materiale tæthed. Katalysator belastning kan ændre pore morfologi, som en højere belastning i RF proceduren fører til mindre primære partikler og vice-versa. Aktivering tid kan spille e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344. IM release LLNL-JRNL-667016.
Materials
| Single Layer Graphene Oxide | Cheap Tubes | n/a | 300-800nm XY dimensions |
| single wall carbon nano tubes (SWCNTs) | Carbon Solutions | P2-SWNT | |
| resorcinol | aldrich | 398047-500G | |
| 37% formaldehyde solution in water | aldrich | 252549 | |
| acetic acid | aldrich | 320099 | |
| ammonium hydroxide solution 28-30% NH3 basis | aldrich | 320145 | |
| sodium carbonate | aldrich | 791768 | |
| anthraquinone | aldrich | a90004 | |
| Polaron supercritical dryer | Electron Microscopy Sciences | EMS 3100 | this is a representative model, any critical point dryer compatible with acetone should work |
References
- Novoselov, K. S., Geim, A. K., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
- Li, D., Kaner, R. B. Materials science. Graphene-based materials. Science. 320 (5880), 1170-1171 (2008).
- Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. Honeycomb carbon: a review of graphene. Chem. Rev. 110 (1), 132-145 (2010).
- Nardecchia, S., Carriazo, D., Ferrer, M. L., Gutiérrez, M. C., del Monte, ., F, Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications. Chem. Soc. Rev.. 42 (2), 794-830 (2013).
- Pekala, R. W. Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde. J. Mater. Sci. 24 (9), 3221-3227 (1989).
- Biener, J., Dasgupta, S., et al. Macroscopic 3D nanographene with dynamically tunable bulk properties. Adv. Mater. 24 (37), 5083-5087 (2012).
- Worsley, M. A., Olson, T. Y., et al. High Surface Area, sp 2-Cross-Linked Three-Dimensional Graphene Monoliths. J Phys. Chem. Lett. 2 (8), 921-925 (2011).
- Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., et al. Mechanically robust 3D graphene macroassembly with high surface area. Chem Commun. 48 (67), 8428-8430 (2012).
- Biener, J., Stadermann, M., et al. Advanced carbon aerogels for energy applications. Energ. Environ. Sci. 4 (3), 656-667 (2011).
- Worsley, M. A., Kucheyev, S. O., Satcher, J. H., Hamza, A. V., Baumann, T. F. Mechanically robust and electrically conductive carbon nanotube foams. Appl. Phys. Lett. 94 (7), 073115 (2009).
- Worsley, M. A., Pauzauskie, P. J., Olson, T. Y., Biener, J., Satcher, J. H., Baumann, T. F. Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity. J. Am. Chem. Soc. 132 (40), 14067-14069 (2010).
- Fu, R., Baumann, T. F., Cronin, S., Dresselhaus, G., Dresselhaus, M. S., Satcher, J. H. Formation of Graphitic Structures in Cobalt- and Nickel-Doped Carbon Aerogels. Langmuir. 21 (7), 2647-2651 (2005).
- Worsley, M. A., Pham, T. T., et al. Synthesis and Characterization of Highly Crystalline Graphene Aerogels. ACS Nano. 8 (10), 11013-11022 (2014).
- Campbell, P. G., Merrill, M. D., et al. Battery/supercapacitor hybrid via non-covalent functionalization of graphene macro-assemblies. J. Mater. Chem. A. 2, 17764-17770 (2014).
- Worsley, M. A., Charnvanichborikarn, S., et al. Toward Macroscale, Isotropic Carbons with Graphene-Sheet-Like Electrical and Mechanical Properties. Adv. Funct. Mater. 24 (27), 4259-4264 (2014).
- Baumann, T. F., Worsley, M. A., Han, T. Y. -. J., Satcher, J. H. High surface area carbon aerogel monoliths with hierarchical porosity. J. Non-Cryst. Solids. 354 (29), 3513-3515 (2008).
- Baumann, T. F., Satcher, J. H. Template-directed synthesis of periodic macroporous organic and carbon aerogels. J. Non-Cryst. Solids. 350, 120-125 (2004).
- Braff, W. A., Bazant, M. Z., Buie, C. R. Membrane-less hydrogen bromine flow battery. Nat. Comms. 4, 1-6 (2013).
- Zhu, C., Han, T. Y., Duoss, E. B., Golobic, A. M., Kuntz, J. D., Spadaccini, C. M., Worsley, M. A. Highly compressible 3D periodic graphene aerogel microlattices. Nat Comms. 6, (2015).
- Worsley, M. A., Shin, S. J., Merrill, M. D., Lenhardt, J., Nelson, A. J., Woo, L. Y., Gash, A. E., Baumann, T. F., Orme, C. A. Ultra-Low Density, Monolithic WS2, MoS2, and MoS2 Graphene Aerogels. ACS Nano. 9 (5), 4698-4705 (2015).
